Verbindungselement zum Verbinden von fluidleitenden Bauteilen

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum Verbinden von fluidleitenden Bauteilen, das dazu eingerichtet ist, an einem ersten Ende mit einem ersten

fluidleitenden Bauteil und an einem zweiten Ende mit einem zweiten fluidleitenden Bauteil verbunden zu werden.

Stand der Technik Verbindungselemente können in Anlagen verwendet werden, um einzelne fluidleitende Bauteile wie Rohre, Austrittssammler, Eintrittssammler usw., miteinander zu verbinden. Das entsprechende Verbindungselement kann an seinen beiden Enden jeweils mit einem fluidleitenden Bauteil verbunden, z.B. verschweißt sein. Durch das Innere derartiger Verbindungselemente wird somit ein Fluid geleitet, welches zumeist eine hohe Temperatur besitzt. Die Verbindungselemente sind somit hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Beispielsweise ist ein derartiges Verbindungselement in der US 5 690 168 beschrieben.

Oftmals weisen derartige Verbindungselemente ein Innenhemd bzw. ein Innenrohr aus Metall auf, welches direkt mit dem Fluid in Kontakt ist. Dieses metallische Innenhemd kann von einem isolierenden Material umgegeben sein. Es kann ein Hohlraum zwischen dem metallischen Innenhemd und dem isolierenden Material vorgesehen sein, um eine thermische Ausdehnung des Metalls ausgleichen zu können. Dennoch besteht durch die hohe thermische Belastung die Gefahr, dass es zu Verformungen und Beschädigungen des Innenhemds und somit des gesamten Verbindungselements kommt. Bei korrosiven Fluiden kann es weiterhin zu Korrosion bzw. Verschleiß des metallischen Innenhemds kommen. Dies kann dazu führen, dass ein Fluss des Fluids durch die Anlage nicht mehr aufrechterhalten oder in ausreichendem Maße

sichergestellt werden kann. Es kann dazu kommen, dass kein Fluid mehr durch das Verbindungselement geleitet werden kann und dass die miteinander verbundenen Bauteile blockiert sind. Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Verbindungselement zum Verbinden von fluidleitenden Bauteilen bereitzustellen, welches hohen thermischen Belastungen standhalten kann. Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verbindungselement zum Verbinden von fluidleitenden Bauteilen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Das Verbindungselement ist dazu eingerichtet, an einem ersten Ende mit einem ersten fluidleitenden Bauteil und an einem zweiten Ende mit einem zweiten fluidleitenden Bauteil verbunden, z.B. verschweißt, zu werden. Das Verbindungselement weist einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel auf. Der innere Mantel ist aus wenigstens einem feuerfesten Werkstoff und der äußere Mantel aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.

Unter einem feuerfesten Werkstoff sei in diesem Zusammenhang insbesondere ein Werkstoff zu verstehen, der bei einer Segerkegelprüfung nach DIN 51063 einen Kegelfallpunkt von mindestens SK17 bei 1500°C besitzt.

Die fluidleitenden Bauteile können Teil einer Anlage sein, z.B. einer

Reformierungsanlage, eines Wärmetauschers, eines Dampferzeugers, eines

Steamcrackers, usw. Durch die fluidleitenden Bauteile und das Verbindungselement wird somit im Betreib der jeweiligen Anlage ein Fluid geleitet, insbesondere ein heißes Gas bzw. Gasgemisch.

Eine Innenseite bzw. Innenfläche des inneren Mantels steht dabei direkt mit dem Fluid in Kontakt. Das erfindungsgemäße Verbindungselement weist somit keine oder zumindest kaum Abschnitte aus metallischem Werkstoff auf, welches mit dem Fluid direkt in Kontakt steht. Zweckmäßigerweise ist das erfindungsgemäße

Verbindungselement somit ohne metallisches Innenhemd ausgeführt. Somit steht hauptsächlich der feuerfeste Werkstoff des Verbindungselements in Kontakt mit dem Fluid. Der feuerfeste Werkstoff kann insbesondere auch hohen thermischen Belastungen standhalten, ohne dass es zu Verformungen oder

Beschädigungen kommt. Somit können auch Fluide mit sehr hohen Temperaturen durch das Verbindungselement geleitet werden, ohne dass das Verbindungselement dabei beschädigt wird. Weiterhin kommt es auch bei korrosiven Fluiden insbesondere nicht oder zumindest kaum zu Korrosion oder Verschleiß des inneren Mantels und des Verbindungselements. Es besteht somit nicht die Gefahr, dass die miteinander verbundenen Bauteile blockiert werden und dass ein Fluss des Fluids durch die Anlage nicht mehr aufrechterhalten werden kann.

Der feuerfeste Werkstoff dient weiterhin insbesondere zur thermischen Isolierung des Verbindungselements. Der äußere Mantel aus dem metallischen Wertstoff dient insbesondere statischen Zwecken, zweckmäßigerweise um dem Verbindungselement ausreichend Stabilität zu verleihen. Der innere Mantel ist insbesondere als ein temperaturführender Teil des Verbindungselements anzusehen, der äußere Mantel insbesondere als ein druckführender Teil.

Vorteilhafterweise ist ein Innendurchmesser des inneren Mantels entlang einer

Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements konstant. Der Innendurchmesser des inneren Mantels entspricht zweckmäßigerweise dem Innendurchmesser des Verbindungselements. Diese Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements ist insbesondere parallel zu einer Flussrichtung, entlang welcher ein jeweiliges Fluid durch das Verbindungselement geleitet werden kann. Die Innenfläche des inneren Mantels ist somit insbesondere zylinderförmig ausgebildet.

Alternativ ist der Innendurchmesser des inneren Mantels vorzugsweise zumindest in einem Bereich des Verbindungselements entlang der Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements veränderlich ausgebildet. Beispielsweise können auf diese Weise Parameter des durch das Verbindungselements geleiteten Fluids beeinflusst werden, z.B. Strömungsgeschwindigkeit, Volumenstrom, Druck usw.

Vorzugsweise erweitert sich der Innendurchmesser des inneren Mantels zumindest in dem Bereich des Verbindungselements entlang der Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements konisch. Die Innenfläche des inneren Mantels ist somit insbesondere zumindest zum Teil konusförmig ausgebildet.

Bevorzugt ist ein Außendurchmesser des äußeren Mantels zumindest in einem Bereich des Verbindungselements entlang einer Haupterstreckungsrichtung des

Verbindungselements veränderlich ausgebildet. Der Außendurchmesser des äußeren Mantels entspricht zweckmäßigerweise dem Außendurchmesser des

Verbindungselements. Vorteilhafterweise erstreckt sich der innere Mantel nicht in einem sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements erstreckenden ersten Bereich. Insbesondere erstreckt sich in diesem ersten Bereich nur der äußere Mantel. In dem restlichen Bereich des Verbindungselements erstrecken sich vorzugsweise sowohl der innere als auch der äußere Mantel.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Außendurchmesser des äußeren Mantels in diesem ersten Bereich des Verbindungselements konstant. In einem an den ersten Bereich anschließenden zweiten Bereich erweitert sich der Außendurchmesser des äußeren Mantels vorzugsweise konisch. In einem sich an dem zweiten Bereich anschließenden dritten Bereich des Verbindungselements ist der Außendurchmesser des äußeren Mantels vorzugsweise konstant.

Dieser erste Bereich erstreckt sich insbesondere von einem der beiden Enden des Verbindungselements aus, beispielsweise, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, von dem ersten Ende aus. Der Außendurchmesser des äußeren Mantels in diesem ersten Bereich kann zweckmäßigerweise einem Außendurchmesser des ersten Bauteils entsprechen, welches an dem ersten Ende mit dem Verbindungselement verbunden ist. Analog erstreckt sich der dritte Bereich von dem anderen der beiden Enden des

Verbindungselements aus, beispielsweise, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, von dem zweiten Ende aus. Der Außendurchmesser des äußeren Mantels in diesem dritten Bereich entspricht insbesondere einem Außendurchmesser des an dem zweiten Ende mit dem Verbindungselement verbundenen zweiten Bauteils. Der Außendurchmesser des äußeren Mantels besitzt somit in dem ersten Bereich zweckmäßigerweise einen anderen Wert als in dem dritten Bereich. In dem zweiten Bereich verändert sich der Wert des Außendurchmessers somit von einem ersten Wert in dem ersten Bereich zu einem von dem ersten Wert verschiedenen Wert in dem dritten Bereich. Insbesondere verändert sich der Außendurchmesser dabei mit einer konstanten Steigung.

Vorteilhafterweise ist der Innendurchmesser des inneren Mantels in dem zweiten und dritten Bereich jeweils konstant. Wie oben erläutert ist die Innenfläche des inneren Mantels somit insbesondere zylinderförmig ausgebildet. Alternativ erweitert sich der Innendurchmesser des inneren Mantels in dem zweiten und dritten Bereich bevorzugt konisch. In dem ersten Bereich ist die Innenfläche des inneren Mantels somit insbesondere zylinderförmig, in dem zweiten und dritten Bereich insbesondere konusförmig ausgebildet.

An dem ersten Ende des Verbindungselements entspricht der Innendurchmesser des inneren Mantels zweckmäßigerweise dem Innendurchmesser des mit dem

Verbindungselement an diesem Ende verbundenen ersten Bauteils. Analog entspricht der Innendurchmesser des zweiten Bauteils, welches an dem zweiten Ende mit dem Verbindungselement verbunden ist, zweckmäßigerweise dem Innendurchmesser des inneren Mantels an dem zweiten Ende. Der Innendurchmesser des inneren Mantels verändert sich in dem zweiten und dritten Bereich zweckmäßigerweise mit konstanter Steigung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der äußere Mantel eine Einkerbung und der innere Mantel eine Wölbung auf, wobei die Wölbung und die Einkerbung ineinandergreifen. Wölbung und Einkerbung sind insbesondere formschlüssig aufeinander abgestimmt. Diese Einkerbung ist vorteilhafterweise als eine Nut bzw. eine Vertiefung in dem äußeren Mantel ausgebildet. Insbesondere erstrecken sich diese Einkerbung und Wölbung jeweils hauptsächlich parallel zu der

Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements und verlaufen insbesondere konzentrisch zu dieser Haupterstreckungsrichtung. Es sei angemerkt, dass

vorteilhafterweise auch eine inverse Ausgestaltung denkbar ist, dass also der äußere Mantel eine Wölbung und der innere Mantel eine Einkerbung aufweist. Die Einkerbung ist in dem äußeren Mantel insbesondere in einem Bereich angeordnet, ab welchem sich der innere Mantel erstreckt. Die Wölbung ist insbesondere an einer Stirnseite des inneren Mantels angeordnet. Über diese Wölbung und Einkerbung sind der innere und äußere Mantel zweckmäßig miteinander verbunden bzw. fixiert. Durch eine derartige Fixierung kann insbesondere eine Beschädigung des inneren und äußeren Mantels verhindert werden. Insbesondere kann verhindert werden, dass feuerfeste Werkstoffe, z.B. Keramik, brechen oder auf andere Art beschädigt werden.

Vorzugsweise ist der innere Mantel aus einem keramischen Material und/oder aus Beton gefertigt. Der innere Mantel ist vorzugsweise aus verschiedenen feuerfesten Werkstoffen gefertigt. Bevorzugt weist der innere Mantel wenigstens zwei Schichten auf, welche jeweils aus unterschiedlichen feuerfesten Werkstoffen gefertigt sind. Die Frontschicht ist insbesondere verschleißfest ausgeführt. Bevorzugt ist das Verbindungselement dazu eingerichtet, ein Fluid mit einer

Temperatur von über 900°C zu leiten. Das Verbindungselement ist für den Einsatz unter vergleichsweise hohen Temperaturen geeignet und kann diesen hohen thermischen Belastungen ohne Schaden zu nehmen standhalten. Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement dazu eingerichtet, mit einem Rohr und/oder mit einem Austrittssammler und/oder mit einem Eintrittssammler als erstes fluidleitendes Bauteil und/oder als zweites fluidleitendes Bauteil verbunden zu werden. Zweckmäßigerweise kann eines der beiden Bauteile als ein innenisoliertes Bauteil ausgebildet sein und das andere der beiden Bauteile als ein außenisoliertes Bauteil.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der

Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figuren 1 und 2 zeigen jeweils schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements. Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen

Verbindungselements schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.

Das Verbindungselement 100 wird beispielsweise in einer Reformierungsanlage verwendet, um ein erstes fluidleitendes Bauteil in Form eines ersten Rohrs 103, welches beispielsweise außenisoliert ist, mit einem zweiten fluidleitenden Bauteil in Form eines zweiten Rohrs 104 zu verbinden, welches beispielsweise innenisoliert ist.

Das Verbindungselement 100 ist an einem ersten Ende 101 mit dem ersten Rohr 103 verbunden, z.B. verschweißt, und an einem zweiten Ende 102 mit dem zweiten Rohr 104. Im Betrieb der Reformierungsanlage wird ein heißes Fluid mit einer Temperatur von insbesondere über 900°C durch die Rohre 103 und 104 sowie das

Verbindungselement 100 geleitet.

Das Verbindungselement 100 weist einen inneren Mantel 1 10 auf, welcher aus einem feuerfesten Werkstoff, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff, gefertigt ist. In diesem Beispiel weist der innere Mantel zwei Schichten auf, wobei eine erste Schicht aus einem ersten keramischen Werkstoff 1 10A und eine zweite Schicht aus einem zweiten keramischen Werkstoff 1 10B gefertigt ist.

Weiterhin weist das Verbindungselement 100 einen äußeren Mantel 120 auf, welcher aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist.

Eine Innenfläche 1 1 1 des inneren Mantels 1 10 bildet dabei zumindest teilweise die Innenfläche des Verbindungselements 100 und ist im Betrieb der Reformierungsanlage in direktem Kontakt mit dem Fluid. Eine Außenfläche 121 des äußeren Mantels 120 bildet die Außenfläche des Verbindungselements 100.

In einem ersten Bereich 131 des Verbindungselements 100 erstreckt sich

insbesondere nur der äußere Mantel 120 und nicht der innere Mantel 1 10.

Zweckmäßigerweise ist der Außendurchmesser des äußeren Mantels 120 in diesem ersten Bereich konstant und besitzt einen ersten Wert RAI von z.B. 6 cm. Dieser erste Wert RAI des Außendurchmessers entspricht dabei insbesondere dem Außendurchmesser des ersten Rohrs 103.

In einem zweiten Bereich 132, welcher sich an den ersten Bereich 131 anschließt, ist der Außendurchmesser des äußeren Mantels 120 entlang einer

Haupterstreckungsrichtung 105 des Verbindungselements 100 veränderlich

ausgebildet. Ein entsprechender zweiter Wert RA2 des Außendurchmessers verändert sich somit in dem zweiten Bereich 132. In einem dritten Bereich 133, welcher sich an den zweiten Bereich 132 anschließt, ist der Außendurchmesser des äußeren Mantels 20 konstant und besitzt einen dritten Wert RA3 von beispielsweise 12 cm. Dieser dritte Wert RA3 entspricht insbesondere dem Außendurchmesser des zweiten Rohrs 104. In dem zweiten Bereich 132 erweitert sich der Außendurchmesser des äußeren Mantels 120 konisch von dem kleineren ersten Wert RAI auf den größeren dritten Wert RA3.

Der innere Mantel erstreckt sich in dem zweiten und dem dritten Bereich 132, 133. In einem Verbindungsbereich zwischen innerem und äußerem Mantel 1 10, 120 weist der äußere Mantel 120 eine Einkerbung 125 auf und der innere Mantel 1 10 eine Wölbung 1 15, welche ineinander greifen. Durch diese Einkerbung 1 15 und Wölbung 125 können innerer und äußerer Mantel 1 10, 120 fixiert werden und es kann eine Beschädigung des keramischen Materials 1 10A verhindert werden. Einkerbung und Wölbung erstrecken sich jeweils hauptsächlich parallel zu der Haupterstreckungsrichtung 105 des Verbindungselements 100 und verlaufen konzentrisch zu dieser

Haupterstreckungsrichtung 105.

Der Innendurchmesser des inneren Mantels 1 10 ist entlang der

Haupterstreckungsrichtung 105 des Verbindungselements 100 konstant und besitzt beispielsweise einen Wert Ri von 4 cm. Der Innendurchmesser des inneren Mantels 1 10 entspricht insbesondere jeweils dem Innendurchmesser des ersten Rohrs 103, so dass der freie Querschnitt für das Fluid konstant bleibt.

Ein Außendurchmesser des inneren Mantels 1 10 verändert sich in dem zweiten Bereich 132 und ist in dem dritten Bereich 133 konstant. Beispielsweise besitzt der Außendurchmesser des inneren Mantels 1 10 in dem dritten Bereich 133 einen Wert von 10 cm.

In Figur 2 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet.

Analog zu dem Verbindungselement 100 ist auch das Verbindungselement 200 gemäß Figur 2 an einem ersten Ende 201 mit einem ersten Rohr 203 einer

Reformierungsanlage und an einem zweiten Ende 202 mit einem zweiten Rohr 204 dieser Reformierungsanlage verschweißt.

Das Verbindungselement 200 weist ebenfalls einen inneren Mantel 210 aus einem ersten keramischen Werkstoff 210A und einem zweiten keramischen Werkstoff 21 OB mit einer Innenfläche 21 1 und einen äußeren Mantel 220 aus einem metallischen Werkstoff mit einer Außenfläche 221 auf.

Die Form der Außenfläche 221 entspricht beispielsweise der Außenfläche 121 des in Figur 1 dargestellten Verbindungselements 100. Demgemäß besitzt der

Außendurchmesser des äußeren Mantels 220 in einem ersten Bereich 231 des Verbindungselements 200 den konstanten ersten Wert RAI von z.B. 6 cm, welcher beispielsweise dem Außendurchmesser des ersten Rohrs 203 entspricht.

In einem dritten Bereich 233 besitzt der Außendurchmesser des äußeren Mantels 220 den konstanten dritten Wert R _A 3 von beispielsweise 12 cm, welcher beispielsweise dem Außendurchmesser des zweiten Rohrs 204 entspricht.

In einem zweiten Bereich 232 zwischen erstem und drittem Bereich 231 und 233 erweitert sich der Außendurchmesser R _A2 des äußeren Mantels 220 entlang einer Haupterstreckungsrichtung 205 des Verbindungselements 200.

Der innere Mantel 210 erstreckt sich in dem zweiten Bereich 232 und dem dritten Bereich 233. Analog zu der Ausgestaltung gemäß Figur 1 weist der äußere Mantel 220 eine Einkerbung 225 und der innere Mantel 210 eine Wölbung 215 auf. Anders als bei dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist der Innendurchmesser des inneren Mantels 2 0 gemäß Figur 2 nicht konstant entlang der

Haupterstreckungsrichtung 205 des Verbindungselements 200 und zumindest in einem Bereich des Verbindungselements 200 entlang der Haupterstreckungsrichtung 205 veränderlich ausgebildet.

In dem zweiten und dritten Bereich 232 und 233 erweitert sich der Innendurchmesser R12 des inneren Mantels 210 konisch. In dem zweiten und dritten Bereich 232 und 233 ist die Innenfläche 211 des inneren Mantels 210 somit konusförmig ausgebildet.

Bezugszeichenliste

100 Verbindungselement

101 erstes Ende des Verbindungselements

102 zweites Ende des Verbindungselements

103 erstes fluidleitendes Bauteil, erstes Rohr

104 zweites fluidleitendes Bauteil, zweites Rohr

105 Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements

110 innerer Mantel

110A erster feuerfester Werkstoff

110B zweiter feuerfester Werkstoff

1 11 Innenfläche des inneren Mantels

115 Wölbung

120 äußerer Mantel aus metallischem Werkstoff

121 Außenfläche des äußeren Mantels

125 Einkerbung

131 erster Bereich des Verbindungselements

132 zweiter Bereich des Verbindungselements

132 dritter Bereich des Verbindungselements

200 Verbindungselement

201 erstes Ende des Verbindungselements

202 zweites Ende des Verbindungselements

203 erstes fluidleitendes Bauteil, erstes Rohr

204 zweites fluidleitendes Bauteil, zweites Rohr

205 Haupterstreckungsrichtung des Verbindungselements

210 innerer Mantel210A erster feuerfester Werkstoff 210B zweiter feuerfester Werkstoff

211 Innenfläche des inneren Mantels

215 Wölbung

220 äußerer Mantel aus metallischem Werkstoff

221 Außenfläche des äußeren Mantels

225 Einkerbung

231 erster Bereich des Verbindungselements

232 zweiter Bereich des Verbindungselements 232 dritter Bereich des Verbindungselements

RAI erster konstanter Wert des Außendurchmessers des äußeren Mantels

RA2 zweiter veränderlicher Wert des Außendurchmessers des äußeren Mantels RA3 dritter konstanter Wert des Außendurchmessers des äußeren Mantels

Ri konstanter Innendurchmesser des inneren Mantels

R12 veränderlicher Innendurchmesser des inneren Mantels